JP5904083B2

JP5904083B2 - ガス濃度測定装置

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Publication number: JP5904083B2
Application number: JP2012226687A
Authority: JP
Inventors: 英二入佐; 康彦古山; 宣之西居; 藤井　淳; 淳藤井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: JP2014077754A

Description

本発明は、半導体レーザを用いてガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関する。

波長可変型ダイオードレーザ分光吸収法（ＴＤＬＡＳ）は、レーザ光の周波数を変調することにより測定ガスの微小な吸収を高感度で検出し、測定ガスの濃度を測定できる方法である。

測定ガスの濃度を測定する装置として、特許文献１に記載された技術が知られている。図５は、特許文献１に記載された従来のガス濃度測定装置の構成図である。図５に示すガス濃度測定装置は、波長可変型の半導体レーザ１、光分波器２、セル４ａ〜４ｃ、受光素子５ａ〜５ｃ、レーザ駆動部６、演算処理部７を有している。セル４ａ〜４ｃは、測定ガスを導入した容器である。

レーザ駆動部６は、半導体レーザ１を駆動するもので、半導体レーザ１の発振波長を一定周期で変調する。半導体レーザ１は、発振波長が一定周期で変調されたレーザ光を発生し、発生したレーザ光を光分波器２に導く。光分波器２は、レーザ光を分岐し、光ファイバ８ａ〜８ｃに入射したレーザ光をセル４ａ〜４ｃに導く。

セル４ａ〜４ｃを透過したレーザ光は、受光素子５ａ〜５ｃに入射される。受光素子５ａ〜５ｃは、セル４ａ〜４ｃ内の測定ガスにより吸収されて減少されて減少された透過光量を検出する。演算処理部７は、例えばロックインアンプなどであり、受光素子５ａ〜５ｃで検出された透過光量内の変調信号を同期検波することによりセル４ａ〜４ｃ内の測定ガスの濃度を測定する。

特開２００５−９１１５０号公報

しかしながら、多点のガス濃度を測定するとき、１点あるいは複数の経路のガス濃度測定が不要となった場合、測定チャネル数が変わっても光は常に一定の分配率となり、不要な経路に流れる光が無駄となる。

即ち、分岐数が固定されているため、測定チャネル数が減った場合には、それに応じた光分配が不可能であった。このため、最も良いＳ／Ｎを得ることができなくなり、高感度に測定することができなかった。

本発明の課題は、多点のガス濃度を測定するとき、１点又は複数の経路のガス濃度測定が不要となった場合に、その経路に流れるガスを無駄にすることなく、常に最大の光出力を得ることができるガス濃度測定装置を提供することにある。

本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を発生する半導体レーザと、ガスを導入し且つ前記レーザ光を入射する複数の容器と、前記複数の容器からのレーザ光を受光する複数の受光素子と、前記複数の受光素子の受光出力に基づき各容器毎のガスの濃度を演算する演算処理部と、前記演算処理部の各容器毎のガスの濃度に基づき前記複数の容器からガス濃度を測定すべき容器を選択し、選択された容器に前記半導体レーザからのレーザ光を分配する分配手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、分配手段は、演算処理部からの各容器毎のガスの濃度に基づき複数の容器からガス濃度を測定すべき容器を選択し、選択された容器に半導体レーザからのレーザ光を分配するので、１点又は複数の経路のガス濃度測定が不要となった場合に、その経路に流れるレーザ光を無駄にすることなく、常に最大の光出力を得ることができる。

実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。実施例１のガス濃度測定装置において測定ポイント数と各測定ポイントに供給される光量との関係を示す図である。従来のガス濃度測定装置において測定ポイント数と各測定ポイントに供給される光量との関係を示す図である。実施例２のガス濃度測定装置の構成図である。従来のガス濃度測定装置の構成図である。

以下、本発明のガス濃度測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。図１に示す実施例１のガス濃度測定装置は、半導体レーザ１、光分波器２ａ，２ｂ、光スイッチ３、セル４ａ〜４ｃ、受光素子５ａ〜５ｃ、レーザ駆動部６、演算処理部７、光スイッチ切替制御部９を備えている。

半導体レーザ１は、レーザ駆動部６により駆動され、レーザ光を発生する。
複数のセル４ａ〜４ｃは、ガスを導入し且つ半導体レーザ１からのレーザ光を入射する容器（ガス導入容器）を構成する。複数の受光素子５ａ〜５ｃは、複数のセル４ａ〜４ｃからのレーザ光を受光する。演算処理部７は、複数の受光素子５ａ〜５ｃの受光出力に基づき各セル毎のガスの濃度を演算する。なお、セルは発電所の煙突などであってもよい。

光スイッチ３、光分波器２ａ，２ｂ、光スイッチ切替制御部９は、本発明の分配手段を構成し、演算処理部７の各セル毎のガスの濃度に基づき複数のセル４ａ〜４ｃからガス濃度を測定すべきセルを選択し、選択されたセルに半導体レーザ１からのレーザ光を分配する。

光スイッチ３は、半導体レーザ１に接続される共通端子ａと、３つの切替端子ｂ１〜ｂ３と、一端を共通端子ａに接続し、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により他端を３つの切替端子ｂ１〜ｂ３のいずれかに切り替える接片ｃとを有する。

光スイッチ３の切替端子ｂ１は、光ファイバ８ａを介してセル４ａに接続される。

複数の光分波器２ａ，２ｂの各々は、レーザ光を分岐するもので、分岐数が異なり、入力側が光スイッチ３の複数の切替端子ｂ２，ｂ３に接続され、出力側が複数のセルに接続され、半導体レーザ１からのレーザ光を選択されたセルに出力する。即ち、光分波器２ａ，２ｂは、必要な測定ポイント数にレーザ光を分岐することができる。また、複数の光分波器２ａ，２ｂを用いることで、測定するポイント数と必要な経路にレーザ光を流すことができる。

光分波器２ａは、半導体レーザ１からのレーザ光を光スイッチ３の切替端子ｂ２から入力し、入力されたレーザ光を２分岐し、２分岐されたレーザ光をファイバ８ｂ，８ｃを介してセル４ａ，４ｂに出力する。

光分波器２ｂは、半導体レーザ１からのレーザ光を光スイッチ３の切替端子ｂ３から入力し、入力されたレーザ光を３分岐し、３分岐されたレーザ光をファイバ８ｄ，８ｅ，８ｆを介してセル４ａ，４ｂ，４ｃに出力する。

光スイッチ切替制御部９は、演算処理部７からのセル４ａ〜４ｃの各々のセル出力値に基づき、複数のセル４ａ〜４ｃからガス濃度を測定すべきセルを選択するために光スイッチ３の複数の切替端子ｂ１〜ｂ３のいずれか１つを切替制御する。

次に、このように構成された実施例１のガス濃度測定装置の動作を、図１及び図２を用いて説明する。

まず、光スイッチ切替制御部９は、演算処理部７から送られてくる各セル４ａ〜４ｃの各々の信号強度を入力する。信号強度が０、即ちガス濃度が０であるセルにはレーザ光を送らないように光スイッチ切替制御部９は光スイッチ３の切替端子を切替制御する。

セル４ｂ，４ｃ内のガス濃度が０であり、セル４ａ内のガス濃度が０でない場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ１が選択される。すると、レーザ光は、光ファイバ８ａを介してチャンネルＣＨ１のセル４ａにレーザ光が導かれる。このとき、図２に示すように、測定ポイントが１（セル４ａ）である場合には、半導体レーザ１の出力がそのままチャンネルＣＨ１に流れる。

次に、セル４ｃ内のガス濃度が０であり、セル４ａ，４ｂ内のガス濃度が０でない場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ２が選択される。すると、レーザ光は、光分波器２ａによりチャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ２とに２分岐される。このため、図２に示すように、測定ポイントが２（セル４ａ，４ｂ）である場合には、半導体レーザ１の出力の１／２が光ファイバ８ｂ，８ｃを介してチャンネルＣＨ１，ＣＨ２のセル４ａ，４ｂにレーザ光が導かれる。

次に、セル４ａ〜４ｃの全てのガス濃度が０でない場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ３が選択される。すると、レーザ光は、光分波器２ｂによりチャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ２とチャンネルＣＨ３とに３分岐される。このため、図２に示すように、測定ポイントが３（セル４ａ，４ｂ，４ｃ）である場合には、半導体レーザ１の出力の１／３が光ファイバ８ｄ，８ｅ，８ｆを介してチャンネルＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３のセル４ａ，４ｂ，４ｃにレーザ光が導かれる。

このように測定ポイント数が変わっても光出力の総和は１となり、常に最大の光出力を得ることができる。また、測定ポイント数が変わっても、各測定ポイントに流す光出力を一定にするためには、測定ポイント数が１の場合には、半導体レーザの光量を１、測定ポイント数が２の場合には、半導体レーザの光量を２、測定ポイント数が３の場合には、半導体レーザの光量を３とすれば良い。

但し、半導体レーザ１の光量が変化すると、半導体レーザ１の発振波長が変化してしまうため、半導体レーザ１の温度を変化させて半導体レーザ１の発振波長を一定にする必要がある。

図３は、従来のガス濃度測定装置において測定ポイント数と各測定ポイントに供給される光量との関係を示す図である。測定ポイント数が３の場合、各測定ポイントに供給される光量は１／３となる。測定ポイント数が１となった場合でも、測定ポイントに供給される光量は、１／３となり、測定ポイント数が減少すると、常に最大の光出力を得ることができない。

このように実施例１に係るガス濃度測定装置によれば、光スイッチ３、光分波器２ａ，２ｂ、及び光スイッチ切替制御部９を用いることにより、演算処理部７の各セル毎のガスの濃度に基づき複数のセルからガス濃度を測定すべきセルを選択し、選択されたセルに半導体レーザ１からのレーザ光を分配するので、１点又は複数の経路のガス濃度測定が不要となった場合に、その経路に流れるレーザ光を無駄にすることなく、常に最大の光出力を得ることができる。これにより、Ｓ／Ｎを向上することができる。また、複数の光分波器を用いることで必要なチャンネルにもレーザ光を供給することができる。

図４は、実施例２のガス濃度測定装置の構成図である。図４に示す実施例２のガス濃度測定装置は、図１に示す実施例１のガス濃度測定装置に対して、７つの切替端子ｂ１〜ｂ７を有する光スイッチ３ａと、４つの光分波器２ａ〜２ｄと、光ファイバ８ａ〜８ｌとを有し、例えば、チャンネルＣＨ２のみ、チャンネルＣＨ３のみ、チャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ３、チャンネルＣＨ２とチャンネルＣＨ３の系統にレーザ光を導き、必要なチャンネルにもレーザ光を供給できるようにしたことを特徴とする。

光スイッチ３ａの切替端子ｂ１は、光ファイバ８ａを介してセル４ａに接続される。光スイッチ３ａの切替端子ｂ４は、光ファイバ８ｆを介してセル４ｂに接続される。光スイッチ３ａの切替端子ｂ６は、光ファイバ８ｌを介してセル４ｃに接続される。

光分波器２ａは、半導体レーザ１からのレーザ光を光スイッチ３ａの切替端子ｂ２から入力し、入力されたレーザ光を２分岐し、２分岐されたレーザ光をファイバ８ｂ，８ｃを介してセル４ａ，４ｂに出力する。

光分波器２ｂは、半導体レーザ１からのレーザ光を光スイッチ３ａの切替端子ｂ３から入力し、入力されたレーザ光を２分岐し、２分岐されたレーザ光をファイバ８ｄ，８ｅを介してセル４ａ，４ｃに出力する。

光分波器２ｃは、半導体レーザ１からのレーザ光を光スイッチ３ａの切替端子ｂ５から入力し、入力されたレーザ光を２分岐し、２分岐されたレーザ光をファイバ８ｇ，８ｈを介してセル４ｂ，４ｃに出力する。

光分波器２ｄは、半導体レーザ１からのレーザ光を光スイッチ３の切替端子ｂ７から入力し、入力されたレーザ光を３分岐し、３分岐されたレーザ光をファイバ８ｉ，８ｊ，８ｋを介してセル４ａ，４ｂ，４ｃに出力する。

光スイッチ切替制御部９は、演算処理部７からのセル４ａ〜４ｃの各々のセル出力値に基づき、複数のセル４ａ〜４ｃからガス濃度を測定すべきセルを選択するために光スイッチ３の複数の切替端子ｂ１〜ｂ７のいずれか１つを切替制御する。

次にこのように構成された実施例２に係るガス濃度測定装置の動作を図４を参照しながら説明する。

セル４ｂ，４ｃ内のガス濃度が０である場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ１が選択される。すると、レーザ光は、光ファイバ８ａを介してチャンネルＣＨ１のセル４ａにレーザ光が導かれる。

次に、セル４ｃ内のガス濃度が０であり、セル４ａ，４ｂ内のガス濃度が０でない場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ２が選択される。すると、レーザ光は、光分波器２ａによりチャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ２とに２分岐される。

次に、セル４ｂ内のガス濃度が０である場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ３が選択される。すると、レーザ光は、光分波器２ｂによりチャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ３とに２分岐される。

セル４ａ，４ｃ内のガス濃度が０である場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ４が選択される。すると、レーザ光は、光ファイバ８ｆを介してチャンネルＣＨ２のセル４ｂにレーザ光が導かれる。

次に、セル４ａ内のガス濃度が０である場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ５が選択される。すると、レーザ光は、光分波器２ｃによりチャンネルＣＨ２とチャンネルＣＨ３とに２分岐される。

セル４ａ，４ｂ内のガス濃度が０である場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ６が選択される。すると、レーザ光は、光ファイバ８ｌを介してチャンネルＣＨ３のセル４ｃにレーザ光が導かれる。

次に、セル４ａ〜４ｃの全てのガス濃度が０でない場合、光スイッチ切替制御部９からの切替制御信号により光スイッチ３の切替端子ｂ７が選択される。すると、レーザ光は、光分波器２ｄによりチャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ２とチャンネルＣＨ３とに３分岐される。このため、半導体レーザ１の出力の１／３が光ファイバ８ｉ，８ｊ，８ｋを介してチャンネルＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３のセル４ａ，４ｂ，４ｃにレーザ光が導かれる。

このように実施例２に係るガス濃度測定装置によれば、チャンネルＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３のセル４ａ，４ｂ，４ｃの組み合わせのチャンネル、即ち、必要なチャンネルにもレーザ光を供給することができる。

なお、本発明は、実施例１及び実施例２に係るガス濃度測定装置に限定されるものではない。実施例１に係るガス濃度測定装置では、セルを３個とし、光スイッチ３の切替端子を３個とし、光分波器を２個とした例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。

一般的には、複数のセル及び複数の受光素子の各々が、Ｎ個（Ｎ≧２の整数）設けられ、複数の切替端子がＮ個のセルの内の１つのセルに接続される１つの切替端子と（Ｎ−１）個の切替端子とからなり、複数の光分波器は、（Ｎ−１）個の切替端子に接続された（Ｎ−１）個の光分波器からなる。

（Ｎ−１）個の光分波器と、Ｎ個のセルから１つのセルを除く（Ｎ−１）個のセルとの各々について１番目から順番に（Ｎ−１）番目とした場合に、１番目の光分波器は１番目からＮ番目までのＮ個のセルに接続され、２番目から（Ｎ−１）番目までの光分波器は、１番目のセルから順番に、Ｎ個のセルから１個ずつ減じた残りのセルに接続されるようにすればよい。

また、実施例２に係るガス濃度測定装置では、セルを３個とし、光スイッチ３の切替端子を７個とし、光分波器を４個とした例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。

一般的には、複数のセル及び複数の受光素子の各々が、Ｎ個（Ｎ≧２の整数）設けられ、複数の切替端子が、（_ＮＣ_１＋_ＮＣ_２＋‥_ＮＣ_ｒ＋‥_ＮＣ_Ｎ）個の切替端子からなり、複数の光分波器が、（_ＮＣ_２＋‥_ＮＣ_ｒ＋‥_ＮＣ_Ｎ）個の切替端子に接続された（_ＮＣ_２＋‥_ＮＣ_ｒ＋‥_ＮＣ_Ｎ）個の光分波器からなる。

_ＮＣ_１個の切替端子に接続される_ＮＣ_１個の光分波器の各々は、Ｎ個のセルのいずれか１個のセルに接続され、_ＮＣ_２個の切替端子に接続される_ＮＣ_２個の光分波器の各々は、Ｎ個のセルのいずれか２個のセルに接続され、_ＮＣ_ｒ個の切替端子に接続される_ＮＣ_ｒ個の光分波器の各々は、Ｎ個のセルのいずれかｒ個のセルに接続され、_ＮＣ_Ｎ個の切替端子に接続される_ＮＣ_Ｎ個の光分波器は、Ｎ個のセルの全てに接続されるようにすれば良い。

本発明に係るガス濃度測定装置は、ガス分析装置に利用可能である。

１半導体レーザ
２ａ〜２ｄ光分波器
３，３ａ光スイッチ
４ａ〜４ｃセル
５ａ〜５ｃ受光素子
７演算処理部
８ａ〜８ｌ光ファイバ
９光スイッチ切替制御部

Claims

レーザ光を発生する半導体レーザと、
ガスを導入し且つ前記レーザ光を入射する複数の容器と、
前記複数の容器からのレーザ光を受光する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の受光出力に基づき各容器毎のガスの濃度を演算する演算処理部と、
前記演算処理部の各容器毎のガスの濃度に基づき前記複数の容器からガス濃度を測定すべき容器を選択し、選択された容器に前記半導体レーザからのレーザ光を分配する分配手段と、
を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
前記分配手段は、
前記半導体レーザに接続される共通端子と切替制御される複数の切替端子を有する光スイッチと、
入力側が前記光スイッチの前記複数の切替端子に接続され、出力側が前記複数の容器に接続され、前記半導体レーザからのレーザ光を前記選択された容器に出力する複数の光分波器と、
前記複数の容器からガス濃度を測定すべき容器を選択するために前記光スイッチの前記複数の切替端子のいずれか１つを切替制御する光スイッチ切替制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。